功率器件封装创新：提高效率和可靠性

功率器件(如MOSFET、IGBT和二极管)需要适当的封装设计，以优化散热、提高效率和确保可靠性。热管理对于避免过热、保持性能和延长器件使用寿命至关重要。

简介

功率半导体市场正处于大幅增长阶段，并将在未来几年持续增长。电动汽车和可再生能源的采用使功率器件封装发生了巨大变化。如今，最常见的封装形状和材料各不相同——有的传统封装带有金属翅片，可安装在散热器上；有的则采用SMD形式，适用于带有优化导热垫的PCB。

最新的封装将多个器件集成在一个单元中，从而降低了热阻和寄生电感。对这一主题的新研究使我们能够制造热性能更好、可靠性更高的电力电子系统。例如，用芯片两侧的接触区代替焊线可进一步提高热性能。研究人员一直致力于提高电力电子封装技术的性能、可靠性、耐用性和功率密度。

封装在半导体开关器件的电气、热和机械性能中起着重要作用。研究基于对所用材料的形状、性能和可靠性的详细观察(见图1示例)。研究结果有助于提高器件的可靠性和耐用性。如今，宽禁带(WBG)半导体器件的性能、可靠性和成本都得到了提高。这些器件的界面材料对于实现紧凑、轻便、经济、可靠且能在高温下安全运行的封装至关重要。

图1：设计先进的电力电子封装。

最新的设计技术依赖于计算机仿真建模，从而能够开发出完全可表征的预测模型。此外，加速测试可快速确定可靠的封装，并消除存在各类问题的封装。测试的主要目的是充分利用宽禁带器件的性能。先进的电力电子封装开发采用三维模型、新型热管理接口以及电气和机械互连，所有这些都是在初步和仿真环境中进行的。它必须满足未来的性能要求，尤其是高功率密度。功率损耗可通过几种不同的程序来降低，其中之一就是降低封装中的热阻。

当器件在高开关频率和更高功率密度下工作时，必须仔细选择器件材料。机械方面的挑战与芯片尺寸成正比，尤其是热膨胀系数(CTE)。功率模块的工作温度非常高(甚至高达200℃)，这对材料造成了压力。在峰值功率期间，器件的损坏风险显著增加。新材料可改善热性能、电气性能和可靠性。

铜和高级合金有助于降低热阻。其他嵌入式技术可将电子元件直接封装在PCB上，实现更均匀的热管理。研究人员正在开发新的热管理系统，以确保更高的功率密度、更高的可靠性和更低的制造成本。在对垂直空间有严格要求的应用中，通常将元器件引脚弯成直角，然后使用螺钉和螺母将其平放在PCB上。

封装

在大功率或大电流情况下，制造商通常倾向于采用分立封装和集成模块来分配功率模块。最常见的封装包括通孔封装(如TO-247和TO-220)、带引线的SMT器件(如D2PAK、DPAK、SO-8)以及无引线类型(如TOLL、PQFN和CSP封装)，这些封装也可用于大电流。图2显示了9针多引线功率封装的一个示例，以及其他类型的封装。它类似于略微拉长的TO220型号，常用于大功率集成电路，特别是具有单列直插(SIL)配置的单片音频放大器。请注意，有一个带孔的金属板，用于将器件安装在散热器上。

图2：一些封装设计。

目前，最常见的封装之一是“功率四方扁平无引线(PQFN)”。它之所以颇受欢迎，有以下几个原因。它的尺寸非常紧凑(从3×3mm到8×8mm)。它还具有较低的涡流，尤其是具有极低的R_DS(ON)电阻。它的热性能非常好。PQFN还与氮化镓(GaN)兼容，采用无铅电镀和无卤素化合物，可连接双散热器，特别适用于汽车领域。

银烧结是一种可延长整个功率封装使用寿命的新技术。它具有高延展性，高熔点和高导热性。对于更高的性能和更高的工作温度，银烧结结点的前景相当广阔。目前正在开发的一种新连接技术是瞬态液相烧结(TLPS)和瞬态液相邦定(TLPB)。利用这项技术，锡基焊料会转变为金属间相，其熔化温度高于焊接前的焊料合金。需要更高的熔点才能承受更高的工作温度，或承受制造过程中的后续焊接工艺。QFN封装是一种在运行过程中可能会产生大量热量的器件，如果在高温下发生严重的功率损耗，可能会造成严重损坏。因此，控制封装内的最高温度至关重要。

大多数QFN都在器件下方设计了一个铜导热垫，直接与硅裸片相连，通过焊料提供的热连接，帮助将热量传递到PCB。为进一步改善散热效果，PCB可能会在焊盘上集成热通孔，以提高导热性，帮助芯片保持最佳温度。因此，有效的热管理对于确保器件的高性能和可靠性至关重要。如今，PQFN封装因其能够确保有效的热管理和可靠的性能而被广泛应用于汽车领域。优化性能的关键因素包括使用先进的焊料材料、裸露的散热器、引线框架和用于电气连接的粗铝线。要特别注意避免出现焊料空洞，即在焊接过程中在功率芯片和引线框架之间形成的空洞，因为这些缺陷会影响热传导性和整体系统可靠性。

如图3所示，源极向下封装是一项创新技术，包括翻转硅裸片，将有源区直接连接到引线框架，并改善热性能和电气性能。它可将R_DS(ON)降低30%，并提供更好的散热效果和更高的效率。

图3：源极向下封装技术可提高MOSFET效率。

总结

研究人员不断优化封装技术，以提高电力电子解决方案的可靠性并延长其使用寿命。功率器件封装必须提供电压隔离、出色的电气连接、机械稳定性、防潮保护和高效的热管理。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Innovations in Power Device Packaging: Enhancing Efficiency and Reliability，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。